【導讀】在患者護理情形中醫(yī)療產(chǎn)品通常對于可靠性、運行時間和堅固性有著高得多的標準,不僅必須確保它們能夠依靠多種電源實現(xiàn)無縫運行,并在對從患者身上收集的數(shù)據(jù)進行無線傳輸?shù)倪^程中提供高可靠性。新型電源 IC 讓無線醫(yī)療儀表受益。
背景
與許多其他的應用一樣,低功率高精度組件實現(xiàn)了便攜式和無線醫(yī)療儀器的快速成長。不過,和很多其他應用不同的是,此類醫(yī)療產(chǎn)品通常對于可靠性、運行時間和堅固性有著高得多的標準。這個負擔大部分落在電源系統(tǒng)及其組件的身上。醫(yī)療產(chǎn)品必須正確地操作,并在多種電源 (例如:交流電源插座、備份電池、甚至是收集的環(huán)境能量源) 之間無縫地切換。此外,還必須竭盡全力地提供針對各種不同故障情況的保護及耐受能力,盡量地延長依靠電池供電時的工作時間,并確保每當接入了某種有效電源時正常的系統(tǒng)操作是可靠的。
患者護理,推動便攜式和無線醫(yī)療儀表成長的關鍵因素
目前,推動便攜式和無線醫(yī)療儀表成長的主要趨勢之一是患者護理。具體來說,這就是在病患自己的家中越來越多地使用遠程監(jiān)護系統(tǒng)。這一發(fā)展趨勢的起因從本質(zhì)上說完全是出于經(jīng)濟的考慮,讓患者住在醫(yī)院里觀察治療所需承擔的費用簡直讓人望而卻步。因此,許多這樣的便攜式電子監(jiān)護系統(tǒng)都必須結合 RF 發(fā)送器,以便能夠把從患者身上收集的任何數(shù)據(jù)直接發(fā)回醫(yī)院內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng),以供主管醫(yī)師日后復審和分析之用。
電源管理架構的四個要求
面對上述情形,合理的假設是:為患者提供合適家用醫(yī)療儀表的成本遠遠低于讓患者留院觀察所需支付的費用。然而,頭等重要的一點是:交由患者使用的設備必須具有可靠和簡單易用的特性。因此,這些產(chǎn)品的制造商和設計師必須確保它們能夠依靠多種電源實現(xiàn)無縫運行,并在對從患者身上收集的數(shù)據(jù)進行無線傳輸?shù)倪^程中提供高可靠性。這就要求設計師確保電源管理架構擁有堅固、靈活、緊湊和高效的特點。
電源 IC 解決方案
醫(yī)療電子系統(tǒng)中的許多應用即使在交流電源發(fā)生中斷時也需要連續(xù)供電;因此一項關鍵的要求就是實現(xiàn)低靜態(tài)電流以延長電池壽命。于是,自 2010 年以來,電源 IC 制造商一直在生產(chǎn)備用靜態(tài)電流小于 30μA 的開關穩(wěn)壓器。事實上,我們近期推出的部分產(chǎn)品已經(jīng)把這一數(shù)字降低到只有 2.5μA。因此,這些產(chǎn)品已完全具備了在由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)中使用之條件。
盡管開關穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器,但其效率指標則比后者優(yōu)越得多。已經(jīng)證實:在許多敏感型應用中,只要開關電源以可預知的方式運行,那么噪聲和 EMI 水平是可控的。如果開關穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開關操作,而且開關脈沖邊沿是干凈和可預知的,并沒有過沖或高頻振鈴,則可實現(xiàn) EMI 的最小化。小封裝尺寸和高工作頻率能提供小巧緊湊的布局,從而最大限度地降低 EMI 輻射。除此之外,假如穩(wěn)壓器可與低 ESR 陶瓷電容器配合使用,那么就能盡量地減少輸入和輸出電壓紋波,而這些紋波是系統(tǒng)中的額外噪聲源。
許多功能豐富的患者監(jiān)測醫(yī)療裝置中電源軌數(shù)目有所增加,而工作電壓則持續(xù)地下降。雖然如此,許多此類系統(tǒng)仍然需要 1.xV 至 8.xV 的寬廣電壓范圍,用于為電機、低功率傳感器、存儲器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。
傳統(tǒng)上,這些電壓軌一直是由降壓型開關穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器提供。然而,對于那些還在系統(tǒng)中納入了一個備份電池以應對主電源故障情況的配置,此類 IC 并未進行相應的優(yōu)化。于是,當采用降壓-升壓型轉換器 (其能提升電壓或降低電壓) 時,它將使電池的全工作范圍能得到利用。這增加了操作裕量,并延長了電池運行時間,因為更多的電池壽命是可用的,尤其當它接近其放電曲線的較低端時。
電源IC解決方案的特殊屬性
相應地,在可能也配有一個主電池的便攜式醫(yī)療儀表中使用的 DC/DC 轉換器解決方案應具有以下特性:
一種具有寬輸入電壓范圍的降壓-升壓型 DC/DC 架構,以在采用多種電池供電型電源及其相關電壓范圍時調(diào)節(jié) VOUT
- 在工作模式和停機模式中均提供超低靜態(tài)電流以延長電池運行時間
- 能夠有效地為系統(tǒng)電壓軌供電
- 電流限制功能以用于減小浪涌電流,從而保護電池
- 解決方案占板面積小、重量輕、外形扁平
- 可提供先進封裝以改善熱性能和空間效率
新型電源:LTC3119
可滿足上述要求的一款新型電源 IC 是—— LTC3119,它是一款同步電流模式單片降壓-升壓型轉換器,在降壓模式中,可從多種輸入源提供高達 5A 的連續(xù)輸出電流,輸入源包括單節(jié)或多節(jié)電池、未穩(wěn)壓交流適配器、以及太陽能電池板和超級電容器。一旦啟動,該器件 2.5V 至 18V 的輸入電壓范圍就可擴展至 250mV。輸入高于、低于或等于輸出時,輸出電壓都是穩(wěn)定的,且輸出電壓在 0.8V 至 18V 范圍內(nèi)是可編程的。用戶可選的突發(fā)模式 (Burst Mode?) 操作將靜態(tài)電流降至僅為 31μA,從而提高了輕負載效率,同時延長了電池運行時間。
LTC3119 采用的專有 4 開關 PWM 降壓-升壓型拓撲在所有工作模式時均提供低噪聲、無抖動切換,因而非常適合對電源噪聲敏感的 RF 應用和精確的模擬應用。另外,該器件還包含可編程最大功率點控制 (MPPC) 功能,以確保從光伏電池等具較高輸出阻抗的電源提供最大功率。參見圖 1 以了解該器件的簡化原理圖。
圖 1:高集成度和高性能 LTC3119 的原理圖
LTC3119 包含 4 個內(nèi)部低 RDSON N 溝道 MOSFET,提供高達 95% 的效率。突發(fā)模式操作可停用,以提供低噪聲連續(xù)切換。外部頻率編程或采用內(nèi)部 PLL 實現(xiàn)同步使得可以在很寬的 400kHz 至 2MHz 開關頻率范圍內(nèi)運行,這就允許在轉換效率和解決方案尺寸之間做出權衡。其他特點包括短路保護、熱過載保護、低于 3μA 的停機電流和一個電源良好指示器。該器件采用纖巧的外部組件,工作電壓范圍很寬,擁有緊湊的封裝,靜態(tài)電流也很低,因此非常適合 RF 電源、大電流脈沖負載應用、系統(tǒng)備份電源、以及甚至連接 12V 轉換系統(tǒng)的鉛酸電池。
很多便攜式醫(yī)療系統(tǒng)都需要用多個輸入源供電,包括單節(jié)或多節(jié)電池配置、交流適配器和超級電容器組。
結論
就設計眾多電池供電和 / 或由電池提供備份電源的醫(yī)療系統(tǒng)而言,已經(jīng)呈現(xiàn)出巨大的機會。與此同時,在選擇合適的電源轉換解決方案以滿足關鍵設計目標方面,系統(tǒng)設計師面臨一些艱難的挑戰(zhàn),這些設計目標包括在不損害效率、運行時間,并且可滿足輻射規(guī)范要求和解決方案尺寸的情況下,符合輸入至輸出電壓涵蓋限制、提供合適的功率水平和易設計性。
設計一個滿足系統(tǒng)目標又不影響性能的解決方案是個艱巨的任務。幸運的是,我們提供了越來越多的降壓-升壓型轉換器解決方案,這些解決方案由于能夠跨很寬的負載范圍高效率運行,所以可簡化設計,提供同類最佳性能,并能在電池充電周期之間最大限度地延長運行時間。